基于单片机的数据采集与传输系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的数据采集与传输系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

假设采样脉冲为理想脉冲， x(t)在脉冲出现瞬间 nTS 取值为x(nTS) ，故，上式改写为 （ 22） 考虑到时间为负值没有意义，上式改写为 t x(t) x(t) K δ Ts(t) xS(nTS ) t xS(nTS ) τ TS TS 2TS 3TS … x(t) t x(t) x(t) K δ Ts(t) xS(nTS ) t xS(nTS ) τ TS TS 2TS 3TS … δ Tsδδδ δ Ts(t) … x(t)   n sTss nTttxttxnTx s )()()()()(   n ssss nTtnTxnTx )()()( 四川理工学院本科毕业设计 7 （ 23） 在实际应用中 ， τ TS。 采样周期 TS 决定了采样信号的质量和数量： ⑴ TS ↓， xS(nTS ) ↑，内存量↑； ⑵ TS ↑， xS(nTS ) ↓ ，丢失的某些信息。 不能无失真地恢复成原来的信号， 出现误差。 因此，在进行连续信号的离散化处理时，采样周期必须依据某个定理来选择。 采样定理 一般连续信号 x(t)可表示为无限个谐波的叠加，信号 x(t)和频谱 X(f)关系为 （ 24） 要由 x(nTs)恢复出 x(t) ，频谱 X(f)和采样间隔 Ts 必须满足下列条件： ⑴ X(f)有 截止频率 fc 时，当 | f |≥ fc 时， X(f) = 0 ⑵ Ts ≤1/2fc，或 fc≤1/2Ts 对一个频率在 0～ fC 内的连续信号进行采样，当采样频率为 fS ≥2 fC 时，由采样信号 xS(nTS )能无失真地恢复为原来信号 x(t)。 满足条件下 离散信号 xS(nTS )表示为 当 | f |≥1/2Ts 时， X(f) = 0， X(f)完全由 (1/Ts， 1/Ts)上的值确定。 在此区间上，展成付立叶级数 其中 所以 （ 25） 可以得到 （ 26）   0 )()()( n sssss nTtnTxnTx     dtetxfXdfefXtx ftjftj  22 )()()()( s sTT ftj dfefXtx 21 21 2)()(  s s sTT fn Tjs dfefXnTx 21 21 2)()(   0 2)( n fn Tjn secfX  )()(21 21 2 ssT T f nTjsn nTxTdfefXTc s s s       ssn f n Tjss TTfenTxTfX s 2 1,2 1)()( 2   n sssssTTftjnTtTnTtTnTxdfefXtx ss )()(s i n)()()( 21212马良尧：基于单片机的数据采集与传输系统设计 8 模拟信号的采样控制方式 模拟信号采样控制 方式如图 23 所示 图 23 采样控制方式分类 ⑴ 无条件采样 采集设备（ A/D 转换器）可以认为是随时都是准备好工作的，只要有读取数据的命令发出系统就可以从采集 设备上获得数据而不需要控制系统和采集设备之间进行握手信号的交互。 优点： 可以采集任 何形式的信号，采集点严格按照时间顺序排列。 所需要的软硬件最简单，系统容易实现。 缺点： 由于采集设备总是在工作，所以每个时刻所采集到的数据是在变化的，所以每采集一次所获得的数据必须在下一次采集的时候将其处理完毕并保 存（其中处理包括采集、量化、编码、存储以及其他的一些应用所需要的变换），否则会造成 数据的采集失败，采样点的丢失。 而且处理器和采集设备需要同时工作。 ① 定时采样（固定的采样时间间隔）； ② 定点数采样（在 信号的周期内才固定点数的值，采样的间隔随着信号的周期变化而变化）。 ⑵ 条件采样 采样过程受到控制，并不是任何时候 需要数据都可以得到满足，常见的有程序查询采样和中断控制采样两种。 ① 程序查询采样： 处理器不断的询问采集设备的状态，了解是否已经将所需 要的数据转换处理完毕。 特点： 系统的实时性不是很高，处理器和采 集设备之间的交互信息比较多，采样 无条件采样 条件采样 DMA 方式采样 定时采样（等间隔采样） 定时采样（变步长采样） 程序查询采样 中断控制采样 四川理工学院本科毕业设计 9 处理器的使用率不是很高，但是硬件设备简单，控制程序容易实现（只需要一些循环语句和控制信号就可以实现）不需要保护现场。 ② 中断控制采样： 处理器只启动设备，一旦设备启动后处理器就不干预其工作，等到设备采集完毕的时候，向处理器发送中断信号通知处理器。 （这两种方式以及下面的 DMA 方式和微机原理中的三中 I/O 方式是同样的道理，是它的一种实际应用）。 特点： 处理器的使用效率可以提高。 但是需要保护现场，软件处理要求比较高一些。 ⑶ DMA 方式采样 利用中断控制方式进行数据采集，可以大大提高 CPU利用率。 但是，中断方式仍是由 CPU通过程序把采集的数据从 I/O 端口传送至累加器，然后再由累加器送至内存。 图 24 中实线部分为中断方式传输数据的示意。 在这个过程中的最大传输效率不超过 10000biat/s，从而使数据传输需要一定的时间。 如果要高速数据采集，采用中断控制采样是不合适的。 图 24 DMA传送方式示意图 在 DMA 方式采样 控制下， 由硬件完成数据传送操作， 数据直接在外部设备和存储器 MEM 之间进行传送，而不通过 CPU和 I／ O，因而可大大 提高数据的采集速率。 内存 CPU I/O 外设 DMA 控制器 马良尧：基于单片机的数据采集与传输系统设计 10 数据传输理论基础 依照适当的规程，经过一条或多条链路，在数据源和数据 终端 之间传送数据的过程。 也 为 借助信道上的信号将数据从一处送往另一处的操作 就称为数据传输。 数据传输 ⑴ 基带、频带和数字数据传输 ： ① 基带传输是指由数据终端设备（ DTE）送出的二进制“ 1”数据传输或“ 0”的电信号直接送到电路的传输方式。 ② 大多数传输信道是带通型特性，基带信号通不过。 采用调制方法把基带信号调制到信道带宽范围内进 行传输，接收端通过解调方法再还原出基带信号的方式，称为频带传输。 ③ 数字数据传输是利用数字话路传输数据信号的一种方式。 ⑵ 并行传输与串行传输 ： ① 并行传输是构成字符的二进制代码在并行信道上同时传输的 方式 ，所传送的数据同时发送和接收。 一个并行数据占多少二进制数，就要多少根传输线。 这种通信方式数度快，但传输线多，价格贵，适合近距离传输。 如图 25 所示。 图 25 并行传输方式 ② 串行传输是构成字符的二进制代码在一条信道上以位（码元）为单位，按时间顺序逐位传输的方式。 速度虽慢，但只需一条传输信道，投资小，易于实现，是数据传输采用的主要传输方式。 如图 26 所示。 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 仪 器 计 算 机 四川理工学院本科毕业设计 11 图 26 串行传输方式 ⑶ 异步传输和同步传输 ： ① 异步传输是字符同步传输的方式。 当发送一个字符代码时，字符前面要加一个“起”信号，长度为 1 个码元宽，极性为“ 0”，即空号极性；而在发完一个字符后面加一个“止”信号，长度为 1， 或 2 个码元宽，极性为“ 1”，即传号极性。 接收端通过检测起、止信号，即可区分出所传输的字符。 字符可以连续发送，也可 单独发送，不发送字符时，连续发 送止信号。 如图 27 所示。 图 27 数据异步传输格式 由图可知， 1帧数据是由以下 4个部分按顺序组成的： Ⅰ 起始位 当通信线上没有数据传输时，线路处于逻辑“ 1”状态。 当仪器要发送一个字符数据时，首先发出一个逻辑“ 0”信号，这个逻辑低电平后，就开始准备接收数据位信号。 因此，起始位所起的作用就是表示数据传输开始。 计 算 机 发送 接收 起始位 1 帧数据 数据位 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 停止位 奇偶校验 停止位 ASCⅡ 码 ASCⅡ 码 0 1 1 P 1 P … 第 n1 个字符 第 n+1 个字符 第 n 个字符 数据流 仪 器 马良尧：基于单片机的数据采集与传输系统设计 12 Ⅱ 数据位 当计算机接收到起始位后，紧接着就会收到数据位。 数据位的位数可以是 7或 8 位的数据。 在字符数据传输过程中，数据位从最小有效位（最低位）开始传输。 Ⅲ 奇偶校验位 数据位发送完之后，可以发送奇偶校验位。 奇偶校验位用于有限差错检测，通信双方在通信时须约定一致的奇偶校验方式。 就数据传输而言，奇偶校验位是冗余位，但它表示数据的一种性质，这种性质用于检错，虽有限但很容易实现。 奇偶检验位可有可无，可奇可偶。 Ⅳ 停止位 在奇偶位或数据位（当无奇偶校验位时）之后发送的是停止位。 可以是 1 位、 位或 2 位。 停止位是一个字符数据的结束标志。 ② 同步传输是位（码元）同步传输方式。 该方式 ，如图 28 必须在收、发双方建立精确的位定时信号，以便正确区分每位数据信号。 在传输中，数据要分成 组（ 或称帧）， 一帧含多个字符代码或多个独立码元。 在发送数据前，在每帧开始必须加上规定的帧同步码元序列，接收端检测出该序列标志后，确定帧的开始，建立双方同步。 接收端 DCE 从接收序列中提取位定时信号，从而达到位（码元）同步。 图 28 数据同步串行传输格式 ⑷ 单工、半双工和全双工传输 ： 单工传输指数据只能按单一方向发送和接收；半双工传输指数据可以在两个方向传输但不能同时进行，即交替收、发；全双工 传输指数据可以在两个方向同时传输，即同时收和发。 一般四线线路为全 双工数据传输，二线线路可实现全双工数据传输。 串行通信接口标准 串行 通信接口（ Serial Communication Interface）按 国际标准化组织提供数据2 数据1 数据n … 校验字节 12 个同步字符 连续传送 n 个字 符 校验 四川理工学院本科毕业设计 13 的 电气标准及协议 划分为 RS23 RS48 USB、 IEEE 1394 等。 RS232 和 RS485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。 USB 和 IEEE 1394是近几年发展起来的新型接口标准，主要应用于高速数据传输领域。 所谓标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化。 借助串行通信标准接口，不 同类型的数据通信设备可以很容易实现它们之间的串行通信连接。 采用标准接口后，能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器等有机地连接起来，进行串行通信。 RS— 232C 是由美国电子工业协会（ EIA）正式公布的、在异步串行通信中应用最广的标准总线。 它包括了按位串行传输的电器和机械方面的规定。 适合于短距离或带调制解调器的通信场合，为了提高数据传输速率和通信距离， EIA 又公布了 RS— 422， RS— 423 和 RS 一 485 串行总线接口标准。 20mA电流环是一种非标准的串行接口电路，但由于它具有简单、对电器噪声不敏感的优点， 因而在串行通信中也得到广泛使用。 为保证通信的可靠性要求，在选择接口标准时，须注意两点：①通信速度和通信距离，②抗干扰能力。 ⑴ 通信速度与距离 通常的标准串行接口标准，其电气特性都具有可靠传输时的最大通信速度和传送距离两方面指标，但这两方面指标之间具有一定的相关性。 通常情况下，适当地降低通信速度，可提高通信距离，反之亦然。 例如，采用 RS232C 标准进行单向数据传输时，最大数据传输速率为 20kb/s，最大传送距离为 15m，而改用 RS422标准时，最大传输速率可达 10Mb/s，最大传送距离为 300m。